CN101183785A - 用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置，脉冲信号发生器(1)产生高压快脉冲生成的控制信号，控制脉冲电源(2)产生高压快脉冲，作用于实验腔(3)上，实验腔(3)的放电电流引入电流测量传感器(4)，电流测量传感器(4)上的电压信号接入数字示波器(5)的一个测量通道，作为该示波器的触发源，设置一个合适的触发电平。一旦介质发生击穿，放电电流过大，在电流测量传感器(4)上的电压信号足以触发示波器(5)，则示波器(5)的触发反馈端口会立即输出一个TTL逻辑信号，此信号通过信号变换电路(6)进行处理，输出一个符合脉冲信号发生器关断信号接口标准的信号，将其关断，从而起到保护作用。本发明的时延可控制在10μs以内。

Description

用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置

技术领域

本发明涉及高压快脉冲放电实时关断保护的装置，特别是涉及高功率高压快脉冲放电实验用的装置。

背景技术

近年来，随着高压脉冲技术的发展和广泛应用，相关的电介质在高压快脉冲放电下的特性研究日益深入，诸如绝缘介质击穿、介质阻挡放电应用、电树发展等。如今已有各种用于产生高压快脉冲信号的设备和用于放电的装置，国内外的一些大学和研究机构采用这些设备进行了很多的放电研究，例如美国的爱荷华州立大学、德州技术大学脉冲功率技术实验室、空军菲利普实验室，俄罗斯科学院下属的大电流研究所、电物理所、高温所等研究所，英国的斯特拉思克莱德大学，德国的卡尔斯鲁厄大学，国内的西北核技术研究所、中科院电工所、西安交通大学、清华大学等。在重复频率的高压快脉冲击穿中，如果发生介质击穿，尤其是大电流时，必须要有实时关断电源的设备，并防止击穿后在装置回路中产生持续的短路电流。通常在微秒或更宽的重复频率脉冲击穿时，在短路信号被检测到时，通过常规的电子电路设计可以实现电源设备的关断。但如果在纳秒级窄脉冲相关的科学研究中，短路信号的脉宽很短，需要相关的检测设备来检测短路信号，但还缺乏实际的监测方法和电路装置来实现控制和关停脉冲电源。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种高压快脉冲放电实时关断保护装置，利用此装置对放电电流进行监测，一旦发生介质的击穿出现过流情况，立即停止脉冲的发生，以便记录介质承受时间，并保护放电装置回路。

本发明高压快脉冲信号实时关断保护装置的工作原理说明如下：

脉冲信号发生器产生高压快脉冲生成的控制信号，控制脉冲电源产生高压快脉冲，作用于实验腔上，同时，将实验腔的放电电流引入电流测量传感器，将电流测量传感器上获得的信号接入数字示波器的一个测量通道，作为该示波器的触发源，设置一个合适的触发电平。这样，一旦介质发生击穿，放电电流过大，电流测量传感器上的信号足以触发示波器，则示波器的触发反馈端口会立即输出一个TTL逻辑信号，将这个信号通过变换电路进行处理，输出一个符合脉冲信号发生器关断信号接口标准的信号，将脉冲信号发生器关断，从而起到保护作用。本发明的时延可控制在10μs以内。

本发明包括脉冲信号发生器、脉冲电源、实验腔、电流测量传感器、高速数字示波器、信号变换电路。其中，脉冲信号发生器为产生标准重复脉冲的控制脉冲发生器，一般都带有关断信号接口，例如西北核技术研究所研制的SPG200N重复频率纳秒脉冲发生器。脉冲电源为Marx发生器和脉冲形成线结构电源，或者基于半导体断路开关的脉冲电源。实验腔一般是用于介质击穿、介质阻挡放电、介质辉光放电等研究实验所采用的腔体结构，有正负极，正极接实验所加电压，负极接地。电流测量传感器可以采用无感电阻分流器，根据示波器允许的最高电压及发生击穿时可能的电流峰值设计，也可以采用能检测窄脉冲信号的罗可夫斯基电流线圈。高速数字示波器需要带有触发反馈TTL逻辑端口，例如Lecroy示波器WaveRunner 104Xi，另外，其带宽、速率等参数需符合实验要求。信号变换电路的设计保证稳定，控制延迟时间在可接受范围内。

脉冲信号发生器产生的快脉冲控制信号通过电缆连接到脉冲电源，控制其产生高压脉冲，再将此高压脉冲施加于实验腔正负极上；同时，实验腔负极通过电流测量传感器的高压引线接地，将实验腔的放电电流直接引入电流测量传感器，再将此传感器上的电压信号用电缆接入数字示波器的一个测量通道；将示波器的触发反馈端口用电缆接入变换电路的输入端，将变换电路的时钟输出端用电缆接入数字示波器的另一个测量通道，将变换电路的输出端用电缆接入脉冲信号发生器的关断信号接口。

数字示波器的触发反馈TTL逻辑信号可以是正脉冲，也可以是负脉冲；高电平一般为5V、3.3V、2.5V或1.8V，也有少数是在这些数值之间的。信号脉宽从几微秒到几毫秒。例如，Lecroy示波器WaveRunner 104Xi的触发反馈TTL逻辑信号就是一个高电平为3.3V，脉宽约为200μs的负脉冲。脉冲信号发生器的关断信号要求一般是高电平为3V～15V，脉宽为几微妙的正脉冲，例如，SPG200N重复频率纳秒脉冲发生器的关断信号要求就是高电平为10～12V，脉宽为5～10μs的正脉冲。

因此，信号变换电路的输入信号就是数字示波器的触发反馈信号，输出信号就是脉冲信号发生器的关断信号。首先利用三极管和上拉电阻实现电压的转换，采用与输入信号匹配的三极管，输入信号经保护电阻接入基极，集电极输出与之相反的电压，且电压的高电平变为上拉电阻所接电位值。若输入为负脉冲，则将三极管集电极直接连到第一个D触发器的D端；若输入为正脉冲，则经反相器后连到第一个D触发器的D端。第一个D触发器的Q端连接到第二个D触发器的D端，作为其输入。然后将第一个D触发器的Q端和第二个D触发器的

端连接到与非门的输入，与非门的输出再经过反相器输出。两个D触发器的SET端口都接地，不起作用，又在CLR接入同样的时钟，在时钟的上升沿同时触发，将两个D触发器的D端的信号传递到各自的Q端和

端。时钟是由4个反相器、1个可调电阻、1个电阻和1个电容组成，通过持续的反相和阻容充放电的延迟实现持续的频率稳定的时钟信号。

从信号变换电路的时序上来看，假设输入信号为负脉冲，输入到第一个D触发器的D端电平与之反相，电压改变。此后，当时钟信号上升沿到来，第一个D触发器的Q端电平也即是第二个D触发器的D端电平发生跳变，因第一个D触发器存在一定的延时，所以时钟信号的此次上升沿并不使第二个D触发器动作，而是在时钟信号的下一个上升沿到来时，使第二个D触发器11的

端电平36跳变。将第一个D触发器的Q端电平和第二个D触发器的

端电平接入与非门再接反相器可以得到脉宽为时钟信号周期值的输出信号。电路的供电端都采用脉冲信号发生器的关断信号电平值，则输出信号的电平值与关断信号相同。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为快脉冲放电实时关断保护装置原理图，图中：1脉冲信号发生器，2脉冲电源，3实验腔，4电流测量传感器，5数字示波器，6信号变换电路；

图2为信号转换电路图，图中：7三极管，8上拉电阻，9保护电阻，10～11触发器，12、14、16～19反相器，13与非门，15时钟，20可调电阻，21电阻，22电容，23供电端，24输入端，25输出端，26时钟输出端，27单刀双掷开关；

图3为电流传感器结构示意图，图中：28高压引线，29绝缘板，30接地板，31铜管，32无感电阻，33同轴接头；

图4为信号转换时序图，图中：34时钟信号，35输入信号，36触发器10的D端电平，37触发器10的Q端电平(触发器11的D端电平)，38触发器11的端电平，39输出信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括脉冲信号发生器1、脉冲电源2、实验腔3、电流测量传感器4、高速数字示波器5、信号变换电路6。脉冲信号发生器1产生的快脉冲控制信号传输到脉冲电源2，控制脉冲电源2产生高压脉冲，再将此高压脉冲施加于实验腔3正负极上。同时，实验腔3的负极通过电流测量传感器4的高压引线28接地，实验腔3的放电电流直接引入电流测量传感器4，电流测量传感器4可以采用无感电阻分流器或罗可夫斯基电流线圈，将电流测量传感器4获得的信号送入数字示波器5的一个测量通道；示波器的触发反馈端口接信号变换电路6的输入端24，变换电路6的时钟输出端26接数字示波器5的另一个测量通道，信号变换电路6的输出端25接入脉冲信号发生器1的关断信号接口。

信号变换电路6如图2所示，三极管7的基极通过保护电阻9与输入端24连接，集电极通过上拉电阻8与供电端23连接，发射极接地。从三极管7的集电极引出信号到单刀双掷开关27，再直接或通过反相器12连接到第一触发器10的D端，第一触发器10的Q端连接到第二触发器11的D端。两个触发器10、11的SET端接地，CLR端都接入时钟15。第一触发器10的Q端和第二触发器11的

端接入与非门13，与非门13再接到反相器14，反相器14接到信号变换电路6的输出端25。时钟15由4个反相器16、17、18、19，可调电阻20，电阻21和电容22组成：反相器18的输出接反相器16的输入，反相器16的输出接反相器17的输入，反相器17的输出接可调电阻20，然后接电阻21，再接反相器18的输入，电容22一端接反相器16的输出，即反相器17的输入，另一端接到可调电阻20和电阻21之间。反相器18的输出接反相器19的输入，反相器19的输出接时钟输出端26。用数字示波器5的一个通道测量信号变换电路6的时钟输出端26的信号，调节可调电阻20，使时钟输出端26的信号符合脉冲信号发生器1的关断信号脉宽要求。根据脉冲信号发生器1的关断信号幅值要求，给变换电路6的供电端23供给符合的电压。

如图3所示，电流测量传感器选取合适的无感电阻32若干，相互并联，在圆柱状的铜管31上焊成一圈。无感电阻32的另一端焊在一起并与高压引线28焊接，铜管31顶部与接地板30连接，高压引线28与同轴接头33的高压端焊接，铜管31底部与同轴接头33的低压端焊接。

本发明装置的工作过程如下：

在高压快脉冲放电实验中，脉冲信号发生器1产生高压快脉冲生成的控制信号，控制脉冲电源2产生高压快脉冲，作用于实验腔3上，同时，将实验腔3的放电电流引入电流测量传感器4，将电流测量传感器4上获得的信号接入数字示波器5的一个测量通道，作为该示波器的触发源，根据介质击穿电流大小设置数字示波器5的触发水平。一旦介质发生击穿，放电电流过大，电流测量传感器4上的信号足以触发数字示波器5，则数字示波器5的触发反馈端口会立即输出一个TTL逻辑信号，通过信号变换电路6进行处理，输出一个符合脉冲信号发生器1的关断信号接口标准的信号，将脉冲信号发生器1关断。本发明可对快脉冲放电实验实现实时的自动关断，以便记录快脉冲电压施加在介质上的时间，并能保护装置回路。该发明可广泛用于大学实验室和科研院所，也可以为高速示波器用于快脉冲信号检测时提供配套设备，为快脉冲下的各种放电研究提供一种实用的方法和装置。

Claims (4)

1.一种用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置，其特征在于包括脉冲信号发生器(1)、脉冲电源(2)、实验腔(3)、电流测量传感器(4)、高速数字示波器(5)、信号变换电路(6)；脉冲信号发生器(1)产生的快脉冲控制信号传输到脉冲电源(2)，控制脉冲电源(2)产生高压脉冲，再将此高压脉冲施加于实验腔(3)正负极上；实验腔(3)的负极通过电流测量传感器(4)的高压引线(28)接地，实验腔(3)的放电电流直接引入电流测量传感器(4)，再将电流测量传感器(4)上的电压信号送入数字示波器(5)的一个测量通道；示波器的触发反馈端口接信号变换电路(6)的输入端(24)，变换电路(6)的时钟输出端(26)接入数字示波器(5)的另一个测量通道，信号变换电路(6)的输出端(25)接脉冲信号发生器(1)的关断信号接口。

2.根据权利要求1所述的用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置，其特征在于信号变换电路6中，三极管(7)的基极通过保护电阻(9)与信号变换电路(6)的输入端(24)连接，集电极通过上拉电阻(8)与供电端(23)连接，发射极接地；从三极管(7)的集电极引出信号到单刀双掷开关(27)，再直接或通过反相器(12)连接到第一触发器(10)的D端，第一触发器(10)的Q端连接到第二触发器(11)的D端；两个触发器(10、11)的SET端接地，CLR端都接入时钟(15)；第一触发器(10)的Q端和第二触发器(11)的Q端接入与非门(13)，与非门(13)再接到反相器(14)，反相器(14)接到信号变换电路(6)的输出端(25)。

3.根据权利要求2所述的用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置，其特征在于时钟(15)由4个反相器(16、17、18、19)，可调电阻20，电阻21和电容22组成，第三反相器(18)的输出接第一反相器(16)的输入，第一反相器(16)的输出接第二反相器(17)的输入，第二反相器(17)的输出接可调电阻(20)，然后接电阻(21)，再接第三反相器(18)的输入，电容(22)一端接第一反相器(16)的输出，即反相器(17)的输入，另一端接到可调电阻(20)和电阻(21)之间；第三反相器(18)的输出接第四反相器(19)的输入，第四反相器(19)的输出接时钟输出端(26)。

4.根据权利要求1所述的用于高压快脉冲信号实时关断保护的装置，其特征在于电流测量传感器(4)中，无感电阻(32)相互并联，在圆柱状的铜管(31)上焊成一圈；无感电阻(32)的另一端焊在一起并与高压引线(28)焊接，铜管(31)顶部与接地板(30)连接，高压引线(28)与同轴接头(33)的高压端焊接，铜管(31)底部与同轴接头(33)的低压端焊接。

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